2. Материнская плата

Рис 3. Материнская плата

Рис 2. Внешний вид персонального компьютера

Основой компьютерной системы является материнская (системная) плата. Материнская плата представляет собой плоский лист фольгированного стеклолита, покрытого зеленым лаком (очень редко цвет лака может быть другим). На плате устанавливаются основные электронные элементы: микропроцессор, оперативная память и другие вспомогательные микросхемы. Необходимые электрические соединения осуществляются рядом параллельных проводников, по которым происходит передача данных, адресов и управляющих сигналов. Электрические, временные и логические характеристики этих сигналов отвечают определенному набору правил - международному стандарту на системную шину - ему должны удовлетворять все платы различных фирм производителей Основные производители плат:Intel, AMD,Cyrix, UMC,Acer.

В левом верхнем углу материнской платы расположены разъемы расширения. Они представляют собой пластмассовые держатели с позолоченными контактами. Число контактов может быть 8, 16, 30, 32. Разъемы позволяют подключать дополнительные печатные платы, которые осуществляют работу с монитором, жестким диском и другими устройствами. В разъемы особого вида устанавливается оперативная память.

Обычно ближе к центру системной платы расположено специальное гнездо для установки микропроцессора. В зависимости от типа микропроцессора на ней также могут находиться гнезда для установки микросхем математического сопроцессора и кэш-памяти.

Для подключения индикаторов, кнопок и динамика, расположенных на корпусе системного блока, на материнской плате имеются специальные разъемы-вилки. Такие разъемы служат как перемычки для установки конфигурации системы. Они определяют тип установленного процессора и его тактовую частоту, тип и режим работы сопроцессора, размер кэш-памяти и т.п. От блока питания на плату поступает напряжение 5 В.

3. Процессоры

Основой любого персонального компьютера является его микропроцессор (CPU). Микропроцессор выполняет основные операции по управлению работой системы. Он интерпретирует и формирует команды, управляет обменом с памятью и системной шиной, выполняет различные вычисления. Микропроцессор реализован в виде сверхбольшой интегральной схемы, выполненной в едином полупроводниковом кристалле. В процессоре можно выделить арифметико-логическое устройство и блок управления.

Микропроцессоры характеризуются тактовой частотой (скорость выполнения команд), разрядностью (длина обрабатываемых данных), архитектурой и набором выполняемых команд. Под архитектурой процессора понимают его внутреннее устройство и типы обрабатываемых данных. Выполняемые команды предусматривают, как правило, арифметические и логические операции, передачу управления и перемещение данных.

С внешними устройствами микропроцессор может обмениваться информацией благодаря системной шине, соединенной со специальными контактами на корпусе процессора.

Микропроцессор i8086

Рис. 4 Внешний вид микропроцессоров

Выпущен в 1978 году. Внешний вид - микросхема в прямоугольном корпусе. Содержит около 29000 транзисторов. Имеет 16 - разрядную шину данных и 16 - разрядную адресную шину. Внутренние регистры 16-разрядные. Рабочая тактовая частота 6 Мгц. Максимальный объем используемой оперативной памяти 1 МБ.

Микропроцессор i8088

Выпущен в 1979 году. Внешний вид - микросхема в прямоугольном корпусе. Содержит около 29000 транзисторов. Имеет 8 - разрядную шину данных и 16 - разрядную адресную шину. Рабочая тактовая частота 5-10 Мгц. Был использован фирмой IBM для разработки своего первого ПК IBM PC , а позднее и для более усовершенствованной модели IBM PC/XT.

Для ускорения вычислений над числами с плавающей запятой для этих микропроцессоров был разработан арифметический сопроцессор 8087. Его использование резко повышало скорость вычислений.

Микропроцессор i80286

Выпущен в 1982 году. Содержит около 130000 транзисторов. Имеет 16 - разрядную шину данных и 24 - разрядную адресную шину. Этот чип появился одновременно с новым персональным компьютером IBM PC/AT. Рабочая тактовая частота 10-20 Мгц.

Наряду с увеличением производительности этот микропроцессор мог работать в одном из двух режимов: реальном (realmode) или защищенном (protectedmode). Первый режим полностью эмулировал (“имитировал”) работу микропроцессора 8086, позволяя запускать любые программы, рассчитанные на использование этого микропроцессора. В защищенном режиме микропроцессор 80286 применял более изощренную технику использования оперативной памяти. Блок управления памятью микропроцессора позволял использовать до 16 МБ ОЗУ. Благодаря новым возможностям на процессоре 80286 была реализована мультизадачность (многозадачность).

Для ускорения вычислений над числами с плавающей запятой для нового микропроцессора был разработан арифметический сопроцессор 80287.

Микропроцессор i80386

В 1985 году фирмой Intelбыл выпущен первый полностью 32-разрядный микропроцессор 80386 Новый процессор содержал около 275000 транзисторов. Его рабочая тактовая частота колебалась в пределах 16-40 Мгц. Микропроцессор мог использовать 4 Гб памяти. Помимо увеличения разрядности шины, микропроцессор был дополнен расширенным устройством управления памятью. Это устройство позволяло легко переставлять сегменты из одного места памяти в другое и освобождать память. Микропроцессор полностью поддерживает реальный и защищенный режимы, кроме того введен новый режим - виртуальный. В новом режиме могут одновременно выполнятся несколько задач, предназначенных для 8086.

Для ускорения вычислений над числами с плавающей запятой для нового микропроцессора фирмой Intelбыл разработан арифметический сопроцессор 80387. Применение сопроцессора обеспечивало пятикратный выигрыш в скорости при выполнении операций с плавающей точкой.

Микропроцессор i486

В 1989 году фирма Intelвыпустила микропроцессор 486-DX , который содержал более 1,2 миллиона транзисторов на одном кристалле и был полностью совместим с предыдущими процессорами ряда 80х86. Новая микросхема объединила на одном чипе центральный процессор, математический сопроцессор и кэш-память (сверхбыстрая оперативная память). Новый микропроцессор был разработан с использованием RISC-архитектуры. RISC (ReducedInstructionSetComputer) - новый особый подход к построению вычислительной системы. Набор команд традиционного процессора включает в себя инструкции различной сложности, которые требуют для своего выполнения, соответственно, разного количества машинных циклов. RISC-архитектура подразумевает применение только тех команд, время выполнения которых не выходит за рамки одного цикла обработки. Более сложные инструкции представляют в виде нескольких простых. Такое решение обеспечивает более высокую производительность. Встроенная 8-Кбайтная кэш-память ускоряет выполнение программ за счет хранения часто используемых команд и данных.

Математический сопроцессор входит в виде блока в состав i486-DX, поэтому необходимость в отдельном сопроцессоре отпадает. Встроенный математический сопроцессор существенно ускорил математические вычисления. Однако впоследствии стало ясно, что подобный сопроцессор необходим лишь 30% пользователей, что послужило толчком к разработке модели i486-SX. Данная модель была точной копией серии DX, но не имела встроенного сопроцессора. Значительная экономия позволила существенно снизить цену данной модификации микропроцессора.

В 1992 году фирма Intelобъявила о создании второго поколения микропроцессоров i486. Эти микропроцессоры, названные i486-DX2, обеспечили новую технологию, при которой скорость работы внутренних блоков процессора в два раза выше скорости остальной части системы. Такое удвоение частоты позволяет увеличить производительность системы, за счет хранения части данных и выполняемых инструкций во внутренней кэш - памяти. В настоящее время технология умножения частоты (уже 2-4 раза) нашла применение во всех современных процессорах. Так, фирмаIntelвыпустила новую серию микропроцессоров с умножением частоты i486-DX4. Эта серия имеет встроенный 16-Кбайтный кэш. Количество транзисторов на кристалле - 1,6 миллиона. Тактовая частота 75 - 120 МГц.

Микропроцессор Pentium

В 1993 году начались массовые поставки процессора Pentiumс частотами 60 и 66 мегагерц. Микросхема содержит около 3 миллионов транзисторов. Имеет 32 - разрядную адресную шину и 64 - разрядную внешнюю шину данных, что обеспечивает обмен данными со скоростью до 528 Мбайт/c. Чип состоит из двух блоков исполнения, работающих независимо и обрабатывающих две команды за один цикл.Pentiumимеет два 8-Кбайтных кэша: один для данных, другой для команд. Отдельный кэш служит для предсказания переходов в исполняемых программах. Для операций с плавающей точкой реализована конвейерная обработка. Вскоре начали выпускаться микросхемы второго поколения с умножением внутренним частоты. Тактовая частота этих моделей 75-160 Мгц.

В 1995 году фирма Intelвыпустила микропроцессор нового поколенияPentiumPro. В его основе лежит комбинация новейших технологий, увеличение кэш-памяти до 32 Кб. На кристалле находится около 5,5 миллиона транзисторов. Выпускаются микропроцессоры с тактовой частотой 150, 166, 180, 200 и 220 МГц.

В 1997 году начались поставки микропроцессора серии PentiumММХ. Этот микропроцессор имеет расширенную систему команд, которая позволяет ускорить работу с мультимедиа. Выпускаются процессоры с тактовой частотой 166-233МГц. Основные производители этих чиповAcer, ALR, AST,Compaq,Dell,Gateway2000.

4. Память

Персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю. В данном параграфе рассматриваются первые две.

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором вычислительных операций. Поскольку доступ к ячейкам памяти может осуществляться в произвольном порядке, то этот вид памяти называют память с произвольной выборкой RAM (RandomAccessMemory). При отключении компьютера её содержимое теряется.

Постоянная память хранит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором программы, она называется ROM (ReadOnlyMemory). Данный вид памяти позволяет только считывать свое содержимое. Причем ROM сохраняет свои данные и при отключенном электропитании.

Оперативная память

Рассмотрим в каком виде реализована оперативная память. По конструкции и характеристикам микросхемы оперативной памяти делятся на две основные группы: динамическая оперативная память; статическая оперативная память.

Динамическая оперативная памятьDRAM (DynamicRandomAccessMemory) построена на микросхемах, которые требуют периодического обновления информации в них во избежание потерь. Эти микросхемы являются конденсаторами, которые хранят информацию в виде заряда (если конденсатор заряжен то в соответствующем ему бите памяти хранится единица, иначе ноль).

Но время хранения заряда конденсатором ограничено из-за “паразитных” утечек. Таким образом, чтобы не потерять имеющиеся данные, необходимо периодическое восстановление информации, которое выполняется в циклах регенерации (refreshcycle). Длительность одного цикла регенерации колеблется в пределах 70-500 нс. В общем, на регенерацию данных расходуется 4-12% времени работы компьютера. Эта особенность накладывает ограничения на скорость получения данных из микросхем динамической памяти.

Статическая оперативная памятьSRAM (StaticRandomAccessMemory) реализована на основе микросхем, не требующих регенерации содержимого для обеспечения сохранности данных. В отличие от динамической памяти статическая не хранит заряд, а позволяет потоку электронов течь по цепи. В цепи существует только два направления движения потока, что и позволяет хранить ноль или единицу. Таким образом, статическая память работает на принципе обычного переключателя - реле.

Рис.5 Логическая организация оперативной памяти

Несмотря на свои недостатки микросхемы динамической памяти предпочтительнее, так как микросхемы статической памяти обладают малой емкостью, большей стоимостью и большим энергопотреблением. Поэтому в настоящее время в ПЭВМ для реализации оперативной памяти используются чипы динамической памяти. Микросхемы статической памяти используются только в “узких” местах компьютера, где требуется наибольшая скорость и надежность работы, например для организации кэш-памяти.

Элементы динамической памяти бывают конструктивно выполнены либо в виде микросхем типа DIP (DualinlinePackage), либо в виде модулей памяти типа SIP (SingleinlinePackage) или типа SIMM (SingleinlineMemoryModule). Модули памяти DIP и SIMM имеют для подключения к материнской плате печатный (“ножевой”) разъем, а SIP - штыревой. Емкость и время доступа модуля можно узнать по маркировке на нем. Время доступа указывается последним (в наносекундах), а емкость (в килобитах) - перед ним. Например: TC511000-80, где 80 - время доступа; 11000 - емкость. Основные производители:Toshiba,Mitsubishi,Motorolla,Samsung.

Логическая организация оперативной памяти

Находящаяся в распоряжении пользователя оперативная память может быть разделена на следующие категории (рис. 5):

0. Базовая память(conventialmemory). Это оперативная память объемом до 640 Кб, которая обслуживается наиболее распространенной операционной системой MS-DOS. Любая программа, работающая под управлением данной системы, может быть загружена в эту область памяти и использовать её без каких-либо ограничений. Первый микропроцессор 8088 на самом деле может использовать память до 1 МБ. Оставшиеся 384 Кб носят название памяти в верхних адресах (UMB -UpperMemoryBlocksилиUMA-UpperMemoryArea). Этот раздел памяти используется для размещения видеопамяти, ROM BIOS (это понятие рассматривается далее) и дополнительных ROM.

1. “Теневая память” (shadowmemory) - это область памяти в верхних адресах. В данную область памяти можно переместить системный ROM BIOS и BIOS видеоадаптера из медленного ПЗУ. Использование “теневой памяти” повышает скорость работы с жестким диском и видеоадаптером в 1,5 - 2 раза.

2. Дополнительная память(expandedmemory). Почти во всех персональных компьютерах область памяти в верхних адресах редко оказывается полностью заполненной. На этом и основана спецификация дополнительной памяти EMS (ExpandedMemorySpecification), разработанная фирмамиLotusDevelopment,IntelиMicrosoftв 1985 году. По составу разработчиков, стандарт получил альтернативное название LIM. Целью данного стандарта была попытка преодолеть ограничение на размер памяти с которой мог работать микропроцессор 8088. На компьютерах с процессором 8088 для реализацииexpanded- памяти необходимо использовать специальные платы и соответствующий драйвер типа EMM (ExpandedMemoryManager). В основе стандарта EMS лежит использование свободной области UMB.

В ней выделяется 64-Кбайтное окно (pageframe), которое разбито на четыре 16-Кбайтные страницы, а разработанные программные средства позволяют копировать содержимое произвольного 16-Кбайтный сегмента дополнительной памяти в любую страницу окна. Таким образом, спецификация EMS позволяет расширить объем адресуемой памяти до 32 Мбайт. В 1987 году фирмаIntelвнесла расширенные возможности стандарта EMS в свой новый микропроцессор 80386 и с того времени процесс отображения дополнительной памяти поддерживается аппаратно. Данный стандарт позволяет программам под управлением MS-DOS использоватьexpanded- память для хранения своих команд и данных, а также сделал возможным многозадачный режим работы.

0. Расширенная память(extendedmemory). Все микрокомпьютеры с микропроцессором начиная с 80286 могут работать в защищенном режиме, адресовать от 16 Мбайта до 4 Гбайт памяти. Этот режим операционной системой MS-DOS не поддерживается и данная область памяти используется при работе под управлением операционных систем UNIX, OS/2,Windowsи других. Разработаны специальные программы (драйверы) EMM386, QEMM, которые позволяют эмулировать расширенную память в дополнительную. Данные программные средства работают на машинах с микропроцессором не ниже 80386 или при наличии специальных микросхем.

1. Область HMA (High Memory Area). Эта область памяти расположена выше 1 Мбайта и имеет размер 64 Кбайта ( без 16 байтов ). Собственно говоря, HMA - это частьextended- памяти, которая доступна для системы в реальном режиме работы. Получение доступа к HMA основано на особенностях устройства микропроцессора 80286 для работы в защищенном режиме. Данная область используется для размещения модулей самой системы, резидентных программ, драйверов устройств. Работа с этой областью памяти происходит через функции диспетчера памяти HMA (например HIMEM.SYS, LOADHI.SYS и др.).

Кэш - память

Кэш - память (cache memory, cache). Сверхбыстрая память, являющаяся промежуточным звеном между микропроцессором и оперативной памятью. Функцией кэш - памяти является согласование скорости работы сравнительно медленных устройств, таких как динамическая память, с гораздо более быстрым микропроцессором. Микропроцессор построен по принципу статической памяти, поэтому его быстродействие существенно выше, чем у динамической памяти (в 2 - 15 раз). Следовательно, процессор вынужден простаивать несколько своих циклов, пока необходимые для работы данные из микросхем памяти будут переданы по системной шине. В момент ожидания микропроцессор не может ничего выполнять и такая ситуация приводит к снижению общей производительности компьютера. Кэш хранит в своих ячейках блок команд и данных, используемых процессором в данный и последующие циклы работы. Контроллер кэш-памяти следит за тем, чтобы необходимые микропроцессору в данный момент времени данные и команды были заранее перемещены в кэш. Использование кэш памяти позволяет избежать простоя микропроцессора и, следовательно, повышает производительность системы.

ROM BIOS

Базовая система ввода-вывода BIOS (BasicInputOutputSystem) включает в себя аппаратные и программные средства. Реализована в виде одной или двух микросхем c ROM памятью 64 Кбайта. Эти микросхемы хранят набор программ ввода-вывода, используя которые операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами персонального компьютера. Кроме того, BIOS содержит программу тестирования компьютера при включении питания (POST (Power-On-Self-Test) ) и программу начального загрузчика. Программа POST тестирует все устройства персонального компьютера и после этого выводит на монитор информацию о их типе и количестве. При нахождении неисправности выводится сообщение о том, какое устройство не прошло тестирование. Программа начального загрузчика осуществляет загрузку операционной системы в оперативную память. Наиболее известные производители систем BIOS фирмы:AmericanMegatrendsInc.,AwardSoftware,PhoenixTechnologies.

CMOS RAM

Cистема ввода-вывода BIOS тесно связана с CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ). CMOS предназначена для хранения информации о конфигурации компьютера: количество оперативной памяти, количество и тип установленных накопителей, тип видеоадаптера, системное время, системная дата, пароль пользователя и другие данные. Программа POST тестирует все устройства, указанные в CMOS. Если происходит изменение конфигурации компьютера, то необходимо соответственно исправить CMOS. В противном случае запуск ПК может привести к зависанию системы. Для корректирования данной памяти используется специальная программа системы BIOS - Setup. Программа Setup вызывается нажатием определенной комбинации клавиш, которая обычно высвечивается на экране монитора после включения питания.

CMOS реализована в виде элемента динамической памяти размером 64-128 Кбайт с очень низким энергопотреблением. Данная память имеет свой источник питания (батарейка или аккумулятор), который находится на материнской плате.